Flăcări în spațiu

Activitate: Efectele gravitației asupra arderii unei lumânări
De la NASA

Microgravitația: un ghid al profesorului cu activități, nivel secundar, activitatea 7, p. 35-37.
Divizia Științe și aplicații a microgravitației: Biroul de știință și aplicații spațiale
Divizia Educație: Biroul Resurse Umane și Educație
Administratia Natională a Aeronauticii si Spatiului
Publicația EP-280, iulie 1992

Obiectiv:

Pentru a ilustra efectele gravitației asupra ratei de ardere a lumânărilor

lumânări

Fundal:

O flacără de lumânare este adesea utilizată pentru a ilustra procesele fizico-chimice complicate ale arderii. Suprafața flăcării reprezintă locul în care se amestecă vapori de combustibil și oxigen la temperaturi ridicate și cu eliberare de căldură. Căldura din flacără topește ceara (de obicei la hidrocarbura C20 la C35) la baza fitilului expus. Ceara lichidă se ridică prin acțiune capilară în sus pe fitil, aducând-o în apropierea flăcării fierbinți. Această apropiere determină vaporizarea ceară lichidă. Apoi, vaporii de ceară migrează spre suprafața flăcării, descompunându-se în hidrocarburi mai mici pe traseu. Oxigenul din atmosfera din jur migrează spre suprafața flăcării prin difuzie și convecție. Supraviețuirea și localizarea suprafeței flăcării sunt determinate de echilibrul acestor procese.

În greutate normală, se dezvoltă convecția condusă de flotabilitate datorită produselor de ardere fierbinți, mai puțin dense. Această acțiune are mai multe efecte: (a) produsele de reacție fierbinți sunt transportate din cauza flotabilității lor și oxigenul proaspăt este transportat către zona flăcării; (b) particule solide de funingine se formează în regiunea dintre flacără și fitil și sunt convectate în sus, unde se ard, producând vârful galben aprins al flăcării; (c) pentru a depăși pierderea de căldură datorată flotabilității, flacăra se ancorează aproape de fitil; (d) combinația acestor efecte face ca flacăra să aibă forma unei picături de lacrimă.

În absența convecției conduse de flotabilitate, ca și în microgravitație, alimentarea cu oxigen și vapori de combustibil a flăcării este controlată de procesul mult mai lent de difuzie moleculară. Acolo unde nu există „sus” sau „jos”, flacăra tinde spre sfericitate. Căldura pierdută în partea superioară a lumânării determină stingerea bazei flăcării și se vede doar o porțiune a sferei. Cantitatea redusă de oxigen și combustibil determină scăderea temperaturii flăcării până la formarea puțină sau deloc funingine. De asemenea, determină ancorarea flăcării departe de fitil, astfel încât rata de ardere (cantitatea de ceară consumată pe unitate de timp) este redusă.

Materiale necesare:

Lumânări de naștere (mai multe)
Chibrituri
Scara fasciculului de echilibru (0,1 gm sau mai mare sensibilitate)
Ceas cu mâna a doua sau cronometru
Freză/clește pentru sârmă
Sârmă
Tigaie mică pentru a colecta ceara care picură

Procedură:

  1. Formați suporturi pentru lumânări din sârmă, așa cum se arată în diagramă. Determinați și înregistrați greutatea fiecărei lumânări și a suportului acesteia.
  2. Aprindeți lumânarea „verticală” și lăsați-o să ardă un minut. Pe măsură ce arde, înregistrați culorile, dimensiunea și forma flăcării lumânării.
  3. Se cântărește lumânarea și suportul și se calculează cantitatea de masă pierdută.
  4. Așezați lumânarea inversată pe o tigaie mică pentru a colecta ceara care picură. (Notă: Lumânarea ar trebui să fie inversată la un unghi de aproximativ 70 de grade față de orizontală. Dacă lumânarea este prea abruptă, ceara care picură va stinge flacăra.)
  5. Aprindeți lumânarea și lăsați-o să ardă timp de un minut. Pe măsură ce arde, înregistrați culorile, dimensiunea și forma flăcării lumânării.
  6. Se cântărește lumânarea și suportul și se calculează cantitatea de masă pierdută.

Întrebări:

  1. Care lumânare a ars mai repede? De ce?
  2. În ce fel erau diferite culorile și formele și dimensiunile flăcării?
  3. De ce a picurat o lumânare și cealaltă nu?
  4. Ce lumânare a fost mai ușor să sufle?
  5. Ce crezi că s-ar întâmpla dacă ai arde o lumânare pe orizontală?


Diagrame cu flacără de lumânare adaptate din „Afișul Știința Flăcărilor”, Fundația Națională pentru Energie, Salt Lake City, UT.

Pentru cercetări suplimentare:

  1. Arde o lumânare ținută orizontal. Pe măsură ce arde, înregistrați culorile, dimensiunea și forma flăcării lumânării. Se cântărește lumânarea și se calculează cantitatea de masă pierdută după un minut.
  2. Repetați experimentele de mai sus cu lumânările în interiorul unui borcan mare. Lăsați lumânările să ardă complet. Înregistrați timpul necesar fiecărei lumânări pentru a arde. Determinați cum și de ce s-a modificat rata de ardere.
  3. Ardeți două lumânări apropiate. Înregistrați rata de ardere și greutatea lumânărilor. Este mai rapid sau mai lent decât fiecare lumânare singură? De ce?
  4. Obțineți o copie a cărții lui Michael Faraday, Istoria chimică a unei lumânări, și faceți experimentele descrise.

Referințe

Faraday, M., (1988), Istoria chimică a unei lumânări, Chicago Review Press.

Cornia, R., (1991), "Știința flăcărilor", Profesorul de științe, v58n8, p. 43-45.